德士古工藝汽化爐特殊工況的閥門選用

韓墨楓，白 龍，蘇 川

（惠生工程（中國）有限公司 設(shè)計中心儀表室，北京 100103）

德士古工藝的汽化爐技術(shù)進入中國之后，被廣為應(yīng)用。相對于其他類型的化工工藝而言，德士古的汽化技術(shù)中，因為其存在高壓氧氣介質(zhì)、煤漿介質(zhì)、帶有閃蒸和汽蝕工況的黑灰水介質(zhì)等情況，對儀表控制閥的選型提出了新的要求。本文旨在介紹這些特殊工況下儀表控制閥的選型原則及經(jīng)驗。

1 工藝簡介

德士古水煤漿加壓汽化過程屬于氣流床疏相并流反應(yīng)。

水煤漿通過煤漿給料泵加壓后送入汽化爐。水煤漿和高壓氧氣通過燒嘴混合后形成混合噴霧，以保證在已經(jīng)經(jīng)過預(yù)熱的高溫耐火磚的熱輻射作用下，迅速裂解與燃燒。水煤漿汽化，最后生成以一氧化碳、氫氣、二氧化碳和水蒸氣為主要成分的濕煤氣。熱熔渣流入汽化爐激冷室，經(jīng)過激冷水的冷卻而形成固態(tài)爐渣。爐渣通過破渣機進行破碎，然后進入以排渣罐為主要設(shè)備的排渣系統(tǒng)，定期排放。

濕煤氣通過下降管在激冷室進行初步的降溫和洗滌，再進入下一級的冷卻和洗滌系統(tǒng)，最終形成合格的煤氣送入變換單元。

汽化爐內(nèi)的主要反應(yīng)如下：

德士古汽化工藝流程主要包括如下幾個單元：

1）原料輸送和高溫燃燒單元，以水煤漿泵、氧氣輸送和燒嘴系統(tǒng)組成。

圖1 德士古汽化法激冷型流程Fig.1 The cooling process of Texaco gasification method

2）汽化反應(yīng)單元，完成煤粉的燃燒和化學(xué)反應(yīng)，生成以CO、CO2、H2為主的濕煤氣。

3）燒嘴冷卻系統(tǒng)，通過冷卻盤管進行熱置換，保護高溫下的工藝燒嘴。

4）鎖渣系統(tǒng)，完成熱熔渣冷卻、破碎和定期排放。

5）洗滌和閃蒸系統(tǒng)，完成濕煤氣的降溫、洗滌和黑水的再循環(huán)利用。

煤漿制備、汽化爐及排渣系統(tǒng)、高溫煤氣的冷卻與凈化。德士古煤汽化法激冷型流程如圖1所示。

2 工況簡要說明

德士古技術(shù)的煤汽化工藝，在汽化單元的介質(zhì)，包括氣體介質(zhì)、液體介質(zhì)、液固混合介質(zhì)、氣固混合介質(zhì)。工況溫度范圍涵蓋常溫至1300℃，工況壓力范圍涵蓋常壓至11MPa。介質(zhì)有氧氣、氮氣、水煤漿、灰水、黑水、渣水，所包含的工況包含高溫、高壓、強磨蝕、閃蒸、汽蝕以及復(fù)雜工況。所以在煤汽化單元（包括煤漿制備、汽化及渣水處理），對于儀表的選型存在著極大的難度。本文將針對汽化單元（包括煤漿制備、汽化及渣水處理，以下簡稱“汽化單元”）的自控專業(yè)的閥門選用進行闡述。

3 氧氣工況的閥門選用

汽化單元接收來自空分單元的高壓氧氣，與水煤漿進行“氧煤比”調(diào)節(jié)之后，通過汽化爐燒嘴，進入汽化爐燃燒室。

由于氧氣具有助燃性，所以高純度的氧氣在遇到油脂、鐵屑、靜電火花等情況時極易引起燃燒甚至爆炸。用在氧氣官網(wǎng)上的閥門通常稱之為“氧閥”。氧閥作為氧氣管線上的重要控制設(shè)備，無論在閥門結(jié)構(gòu)、防火要求、材料選擇、脫脂等方面，都需要作出慎重的選擇。

3.1 材料的選擇[1]

氧閥的材質(zhì)應(yīng)選擇銅基合金或者鎳基合金，豁免流速性對于其它材質(zhì)的范圍比較寬，以保證氧氣在流過閥門時不會因摩擦沖擊而產(chǎn)生火花。低壓氧氣介質(zhì)，閥門材料可選用304L或316L不銹鋼。德士古汽化工藝，氧氣均為高壓工況。因此，氧氣調(diào)節(jié)閥和氧氣開關(guān)閥均以采用INCONEL或MONEL合金為宜。閥門密封填料應(yīng)選用阻燃材料，如石墨等。

3.2 閥門型式的選擇

氧氣調(diào)節(jié)閥宜選用直通單座調(diào)節(jié)閥（globe），氧氣開關(guān)閥宜選用金屬密封球閥（固定球）。無論是低壓還是高壓氧氣管網(wǎng)，均嚴禁選用閘閥。閘閥在開關(guān)過程中因閘板擠壓滑槽，容易產(chǎn)生鐵屑。氧氣氣流夾帶鐵屑沖擊管線，容易造成氧氣管線的爆燃，引發(fā)惡劣的工程事故。大口徑、高壓差的場合，還要考慮選用帶均壓小旁通的閥門，以防止氧氣流速過快，溫度升高形成絕熱壓縮而發(fā)生氧氣管線的爆燃。德士古工藝的高壓氧氣管線，是由多個氧氣閥門和高壓氮氣管線配合使用形成的一整套系統(tǒng)，從工藝角度上已經(jīng)完善了安全方面的要求。因此，德士古工藝的高壓氧氣閥門不需要帶小旁通閥。

3.3 閥門的脫脂與密封

氧氣閥門應(yīng)該在出廠前完成全部脫脂工序，并嚴格密封包裝后運至現(xiàn)場。德士古工藝中，為氧氣管線保駕護航的高壓氮氣管線上的閥門，享受與氧閥同等待遇，同樣需要滿足與氧閥同等規(guī)格的脫脂及密封要求。脫脂后的氧閥在沒有其它特殊原因的情況下，不再參與管道吹掃，以防止閥門被二次污染。

3.4 氧氣閥門材料的選用既要考慮強度、經(jīng)濟，更要考慮安全

應(yīng)符合表1的要求。表1引自GBl6912《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》（修訂版報批稿）。

表1 閥門材料選用要求Table 1 Valve material selection requirements

表2 閥門材質(zhì)的選擇與豁免流速的對應(yīng)關(guān)系Table 2 Correspondence between the selection of valve material and the exemption flow rate

3.5 惠生工程（中國）有限公司的鄂爾多斯國泰項目情況[3]

氧氣總管操作壓力8.1MPa，設(shè)計壓力9.0MPa，操作溫度25℃，設(shè)計溫度65℃。高壓下的氧閥選用，考慮的因素除了上述內(nèi)容以外，還要考慮閥門的硬化處理。在本項目中，氧氣調(diào)節(jié)閥選用globe型式，氧氣切斷閥選用固定球硬密封球閥。關(guān)于閥門材質(zhì)的選擇與豁免流速的對應(yīng)關(guān)系見表2。

在德士古的工藝包中，奧氏體不銹鋼，如316L材質(zhì)是可以作為氧閥的閥體材質(zhì)的，但要根據(jù)氧氣的壓力和溫度，去查詢在此條件下的氧氣豁免流速表。而目前國家對安全生產(chǎn)的要求，氧閥的選用通常選擇豁免流速對應(yīng)壓力范圍較大的INCONEL600或MONEL合金。而MONEL合金因為摻加了銅元素，所以材質(zhì)較軟，不大適合在高壓環(huán)境下使用。以采用INCONEL600或INCONEL625較為適宜。氧氣切斷閥的閥球與閥座需要做硬化處理，保證洛氏硬度大于55為佳。而目前市場上的氧閥硬化方式均為噴涂，噴涂的材料根據(jù)不同的生產(chǎn)商有不同的選擇。原則是以不改變或接近閥球、閥座的材質(zhì)為宜。有個別廠家采用噴涂碳化鎢的方式進行硬化處理，不可取。

4 水煤漿管線的閥門選用

水煤漿是一種懸濁液，成分為：煤粉65%～70%；水29%～34%和約1%的化學(xué)添加劑制成的混合物。

應(yīng)用在水煤漿工況的切斷閥，隨著國內(nèi)煤汽化工藝的全面推廣，已經(jīng)逐漸形成一個“煤漿切斷閥”的專有名詞了。目前應(yīng)用于水煤漿切斷的閥門，還是以硬密封金屬球閥為主。耐磨蝕，是煤漿閥首先要考慮的參數(shù)，而閥座密封卻是影響煤漿閥運行的關(guān)鍵點。

煤漿閥的閥通常采用碳鋼材質(zhì)，流道內(nèi)襯雙相鋼并噴涂碳化鎢以增加其抗磨蝕性能。閥球與閥座才有316SS為基材再進行硬化處理，通常采用鎳及合金。閥座硬度可達到洛氏硬度55，閥球硬度可達到洛氏60以上。做到這些，在抗磨蝕性能上，完全可以適應(yīng)水煤漿工況的需要。

水煤漿是一種懸濁液，在閥門開啟、關(guān)閉的運行過程中，密封性能依靠閥座的背壓彈簧提供的彈性和上游介質(zhì)的壓力去推動閥座貼緊閥球。閥座的運動，勢必造成煤漿中的灰水會深入進閥座的內(nèi)腔?；宜坏┻M入閥座內(nèi)腔，就會變成一潭“死水”，灰質(zhì)會漸漸沉淀、集聚，時間長了，閥座的背壓彈簧便失去了形變的能力，造成閥門卡死的情況發(fā)生。因此，對于煤漿球閥來說，保持閥座背壓彈簧的活性，是一個非常關(guān)鍵的技術(shù)點。目前國外的品牌通常利用其機加工精度的長項來解決這個問題，而國內(nèi)的閥門廠家則通過給閥座的背壓彈簧增加橡膠制灌注原件來阻礙灰水進入的方式，解決上述問題。解決方式雖然不同，但以目前的市場應(yīng)用情況來說，均能實現(xiàn)其最終目的。

最近，采用圓盤閥來實現(xiàn)水煤漿切斷功能的概念正在逐漸形成。只是目前還沒有顯著地業(yè)績量來支撐，且價格高于球閥，性價比顯然不如球閥好。

5 鎖渣閥的選用

鎖渣閥的概念，并非煤汽化行業(yè)專有，在多晶硅、石油、化學(xué)、電力、冶金、水泥、制糖、礦山等行業(yè)均有所應(yīng)用。鎖渣閥具有流體阻力小、流量通暢、啟閉快速、易于自動化控制的特點。

在德士古的水煤漿工藝中，嚴格意義上的鎖渣閥，每套汽化爐只有3臺。其中上鎖渣兩臺，下鎖渣一臺。

對于鎖渣閥而言，要求并不復(fù)雜，一要快速關(guān)斷，二要雙向密封，三要硬化處理。從這3點來說，與煤漿閥并無二致。但同為鎖渣閥，不同的工藝卻對閥門有著不同的要求，從這點來說，不同于煤漿閥的“單一”性要求。德士古工藝煤汽化所使用的鎖渣閥，采用雙向密封、硬化處理，開始是借用于其他行業(yè)鎖渣閥的經(jīng)驗，尤其是硬化處理這一方面。國內(nèi)市場應(yīng)用于煤汽化的鎖渣閥，片面關(guān)注了閥球與閥座的硬度，試圖以“硬碰硬”的方式解決灰渣對閥門的損傷。因此，早期的鎖渣閥通常采用在閥球、閥座上堆焊碳化鎢的方式。但經(jīng)過實踐經(jīng)驗檢驗，發(fā)現(xiàn)并非如此。水煤漿的熔渣，除了硬度高之外，溫度較高，粘性也較大，雖然碳化鎢的硬度很強，但其過于“脆”，在“硬碰硬”的過程中，應(yīng)對擠壓造成的應(yīng)力，往往出現(xiàn)碳化鎢涂層脫落的情況，導(dǎo)致閥門使用壽命縮短。后采用鎳及合金進行硬化處理，雖然在硬度方面略遜于碳化鎢，但鎳基合金具有一定的“撓性”，能夠有效地消除擠壓過程中產(chǎn)生的集中應(yīng)力，使用效果明顯好于采用碳化鎢硬化的方式。所以，目前市場上的用于水煤漿汽化的鎖渣閥，均采用熔焊鎳及合金的硬化處理方式。

6 黑水/灰水工況的閥門選用

黑水和灰水，在煤汽化工藝上是沒有一個準確的定義的，通常來說，從急冷室出來至高壓閃蒸器，再至低壓閃蒸器的水，因其含有的灰渣量較大，顏色暗黑，稱為黑水。從低壓閃蒸至真空閃蒸，或從真空閃蒸之后出來的水，灰渣含量明顯下降，則稱為灰水。

水是寶貴的資源，所以黑水和灰水是不可以直接排放的，要進行循環(huán)利用?？梢詤⑴c磨煤單元或者汽化爐急冷室的排渣用水。

黑水和灰水里均含有較多的灰渣，對閥門的沖刷均非常嚴重，但又有很大區(qū)別。黑水是低壓閃蒸工序之前的水，溫度較高。因此，在沖刷造成的磨蝕的同時，帶有強烈的閃蒸和汽蝕現(xiàn)象，給閥門的選型造成了更大的困擾。

當(dāng)水或其它處于飽和蒸汽臨界值的液體介質(zhì)，在流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的時候，流體會產(chǎn)生壓力變化，導(dǎo)致流體中產(chǎn)生大量的氣泡而造成流速的變化。根據(jù)閥后壓力恢復(fù)的情況，分別產(chǎn)生汽蝕和閃蒸兩種現(xiàn)象。這兩種現(xiàn)象均可以產(chǎn)生噪聲、振動及對金屬表面造成破壞。因此，控制和降低調(diào)節(jié)閥受汽蝕和閃蒸的影響是閥門設(shè)計時要考慮的問題之一。

汽蝕和閃蒸有著各自的產(chǎn)生條件。當(dāng)流體經(jīng)過閥門之后，恢復(fù)壓力低于飽和蒸氣壓時，就會出現(xiàn)閃蒸。因此，閃蒸是一種系統(tǒng)現(xiàn)象。調(diào)節(jié)閥不能夠避免閃蒸的產(chǎn)生，除非系統(tǒng)條件改變，而當(dāng)閥門中接近于飽和蒸氣壓臨界值的液體，下游的恢復(fù)壓力高于飽和蒸氣壓的情況下，因為閃蒸原理產(chǎn)生的氣泡在壓力作用下會發(fā)生破裂，就會產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。在汽蝕過程中飽和氣泡因爆破變回液態(tài)，因而與閃蒸現(xiàn)象不同。

在德士古工藝中，液體水是含有大量灰渣的黑水或者灰水，所以無論是汽蝕還是閃蒸現(xiàn)象的出現(xiàn)，都會因為灰渣的存在而數(shù)倍增加了閃蒸與汽蝕對閥門的損害。黑水閥與灰水閥的設(shè)計過程中，要充分考慮到這一點。

閃蒸是一種系統(tǒng)現(xiàn)象，所以對于調(diào)節(jié)閥來說是不能預(yù)防閃蒸的產(chǎn)生的，只能通過一定的方式方法來避免閃蒸對閥門造成損害。例如選擇適合閃蒸工況的閥門結(jié)構(gòu)，選擇能對抗閃蒸破壞的閥門材質(zhì)等。

因為閃蒸的破壞主要來自于高壓氣泡的出現(xiàn)導(dǎo)致介質(zhì)流速增加而對閥門形成的沖刷，角閥是應(yīng)付這種工況的一個極佳的選擇。角閥可以讓閥中的介質(zhì)直接流向閥體內(nèi)部下游管道的中心，所以大大減少了沖擊閥體氣泡數(shù)量，從而減弱了閃蒸的破壞力。

德士古工藝中，出急冷室和高、低壓閃蒸器的閥門，均需采用角閥，并通過整體碳化鎢的閥芯、閥座設(shè)計、流道硬化處理、出口配備文丘里結(jié)構(gòu)等方式，可以有效地應(yīng)對閃蒸和汽蝕工況。

真空閃蒸器出口的灰水，無論是溫度還是壓力或者是含渣量，均遠遠小于黑水，一般不會帶有明顯的閃蒸和汽蝕工況。因此，在調(diào)節(jié)過程中采用globe或者偏心旋轉(zhuǎn)閥均可，只要在材質(zhì)上考慮足夠的硬度即可。目前，國內(nèi)廠家以上海大通和航天十一所的偏心旋轉(zhuǎn)閥為代表，國產(chǎn)的偏旋閥完全可以替代進口閥門在德士古工藝中采用。

7 結(jié)束語

汽化單元的閥門選用，首先要了解和熟悉不同工段和不同工況的介質(zhì)特性。其次，因為國內(nèi)煤汽化技術(shù)的日益成熟，有大量的應(yīng)用業(yè)績和應(yīng)用經(jīng)驗可以借助參考，這些都是在閥門選型過程中可以借鑒的依據(jù)。